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Praktische Elektronik


Wir verbessern die elektronische Sicherung durch einen Stromspiegel.


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Einfache elektronische Sicherungen

Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Inhalt

Elektronischer Stromspiegel


Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Wir haben einfache elektronische Sicherung betrachtet. Hier werden wir auf den Nachteil dieser Schaltung eingehen und eine Lösung betrachten, die uns zu einer interessanten elektronischen Schaltung führt.

../ElektronischeSicherung.png
Bild 1: Die einfache elektronische Sicherung

Der Strom durch die Sicherung wird mit dem Messwiderstand Rm in eine Spannung umgewandelt und diese mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 verglichen. Wenn die Spannung größer als 0,6V ist, löst die Sicherung aus.

Diese Messspannung von 0,6V ist verglichen mit der verwendeten Spannung von 5V relativ hoch. Wir werden versuchen diese Spannung zu verringern.

Verringerung der Messspannung

Wenn es uns gelänge, von der Basis-Emitter-Spannung einen Teil abzuziehen, kämen wir mit einer geringeren Messspannung aus. Am besten wäre es, wir würden die Basis-Emitter-Spannung vollständig eliminieren.

ElektronischeSicherung-Stromspiegel-1.png
Bild 2: Schaltkreis mit 2 Transistoren

Die Schaltung in Bild 2 ersetzt den Basis-Widerstand R1 von T1 in Bild 1 durch die Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors.

Wir analysieren die Spannungen des Stromkreises:

Ube1 = Ube2 + Um

Wenn eine Spannung Um auftritt ( durch den Messstrom Im in Rm erzeugt ), wird Ube1 größer als Ube2. Wenn kein Strom fließt, ist Um = 0V. Dann müssen Ube1 und Ube2 gleich sein.

Schön und gut, aber woher soll die Spannung an den Basen der Transistoren kommen? Wir müssen einen Strom in die Basen schicken. Dieses übernimmt der Widerstand Rb in Bild 3.

ElektronischeSicherung-Stromspiegel-2.png
Bild 3: Schaltkreis mit 2 Transistoren

Der Strom über den Widerstand Rb teilt sich in zwei Teile, nämlich Ib1 und Ib2 auf. Die beiden Transistoren T1 und T2 sind gleich und wir können davon ausgehen, dass Ib2 und Ib2 gleich sind. Das wird insbesondere der Fall sein, wenn Um Null ist.

Wenn allerdings ein Strom durch Rm fließt, wird durch Um die Basis-Emitter-Spannung Ube1 von T1, größer als die von T2. Das bedeutet, dass der Basisstrom Ib1 größer als der Ib2 von T2 wird. Der Basisstrom von T1 wird größer, wenn der Strom durch Rm, d.h. der Strom durch die Sicherung steigt. Wenn der Basisstrom von T1 größer wird, wird auch sein Kollektorstrom größer.

  • Der Kollektorstrom von T1 wird größer, wenn der Strom durch die Sicherung größer wird.

Bevor wir die Schaltung der elektronischen Sicherung betrachten, gehen wir noch einmal auf die Schaltung in Bild 3 ein. Diese Schaltung heißt Stromspiegel. Allerdings wird ein Stromspiegel meistens anders dargestellt.

ElektronischeSicherung-Stromspiegel-3.png
Bild 4: Stromspiegel

In dieser Schaltung sind die Basen der beiden Transistoren gemeinsam an den Kollektor des rechten Transistors T2 angeschlossen. Die Basisströme der beiden Transistoren sind also gleich und damit auch die Kollektorströme:

Ic1 = Ic2

Der Kollektorstrom Ic2 des rechten Transistors wird über den Widerstand R2 vorgegeben. Der Strom Ic1 im Kollektor linken Transistors ist damit auch über R2 eingestellt, unabhängig von R1. R1 darf nicht größer sein als R2.

Sicherung mit Stromspiegel

Wir wenden unsere neuen Kenntnisse auf die vollständig Schaltung der elektronischen Sicherung an.

ElektronischeSicherung-mit-Spiegel-2.png
Bild 5: Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Tatsächlich, die beiden Schaltungen in Bild 1 und Bild 5 sind sich sehr ähnlich. Auf den ersten Blick fällt auf, dass

  • der Widerstand R1 in Reihe zu einem Trimmpotentiometer liegt,
  • die LED ist entfallen und
  • - das ist wesentlich - der Messwiderstand Rm nicht mehr 30Ω beträgt, sondern nur noch 1Ω.

An dem Messwiderstand fallen bei 25mA nur noch 0,025V = 25mV ab. Das ist sehr klein im Vergleich zu den 0,6V unserer Schaltung in Bild 1.

Dieser Vorteil muss mit Nachteilen erkauft werden:

  • Die Sicherung muss eingestellt werden.
  • Eine LED zur Anzeige der Strombegrenzung ist nicht möglich.

Bei der einfachen elektronischen Sicherung wurde die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors zu Messung des Stroms verwendet. Die 0,6V der Basis-Emitter-Spannung waren die Schwelle für das Ansprechen der Sicherung. Diese 0,6V haben wir mit unserer neuen Schaltung ausgehebelt. Die Schwelle übernimmt hier die Gate-Source-Spannung des MOSFET 2N7000. Die Schwellenspannung eines MOSFET schwankt im Vergleich zur Basis-Emitter-Spannung von Transistoren von Exemplar zu Exemplar relativ stark. Dieses wird durch das Trimmpotentiometer ausgeglichen.

Der Kollektorstrom Ic1 von T1 ist, wie wir oben festgestellt haben, vom Messstrom Im abhängig. Wenn der Messstrom größer wird, steigt der Kollektorstrom von T1. Damit fällt an R1 und dem Trimmpoti R4 eine größere Spannung ab und die Spannung am Kollektor von T1 sinkt. Diese Spannung ist die Gate-Source-Spannung des MOSFET. Wenn der Strom zu groß wird, sinkt die Gate-Source-Spannung und der MOSFET 2N7000 schaltet ab. (Na ja, genau genommen leitet er schlechter.) Mit dem Trimmpoti gleichen wir außerdem Ungenauigkeiten in der Übersetzung des Messstroms Im in den Kollektorstrom von T1 aus.

Wir sind in der realen Welt angekommen: Die Transistoren T1 und T2 sind nicht gleich. Wir müssen darauf achten, möglichst gleiche Transistoren zu verwenden:

  • vom gleichen Typ: BC337
  • mit der gleichen Stromverstärkungsklasse (-25, -45, -100)
  • aus der gleichen Charge (gemeinsam gekauft, am besten auf einem Gurt)

Es gibt zwar spezielle Doppeltransistoren, die jedoch für unseren Zweck nicht erforderlich sind.

Anzeige der Strombegrenzung

Die Anzeige der Strombegrenzung ist nicht möglich, weil immer ein Kollektorstrom Ic1 fließt. Mit etwas mehr Elektronik ist das zwar möglich, aber wir wollen hier einfache Schaltungen verwenden. Im Projekt Elektronische Sicherung mit Stromspiegel wird eine Variante vorgestellt, die bei überschreiten der eingestellten Stromstärke ausschaltet und eine einfache Anzeige ermöglicht. Wir haben hier die Möglichkeit die Ausgangsspannung unserer Sicherung zu messen oder auf die Anzeige mit drei LEDs in Komplexe Schaltungen zurückzugreifen.

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Bild 6: einfacher Spannungs-Tester mit drei LEDs

Wenn diese Anzeige mit unserer elektronischen Sicherung verbunden werden soll, brauchen wir natürlich die rote LED nicht. Die blaue LED wird beim Ansprechen der Sicherung dunkler werden. Diese Maßnahme ist für unsere Fälle ausreichend.

Einstellung des maximalen Stroms

Wir müssen den Ausgang der Sicherung mit 25mA belasten. An einem 5V-Netzgerät brauchten wir dafür einen Widerstand

R = U / I
R = 5V / 25mA
R = 5V / 0,025A
R = 200Ω

Zweihundert Ohm, den haben wir vermutlich nicht in unserer Sammlung. Wir schalten einfach zwei 100Ω Widerstände in Reihe. Oder, und das ist in unserem Fall günstiger, 220Ω und 2,2kΩ parallel.

Wir stellen das Trimmpoti so ein, dass die blaue LED so eben etwas dunkler wird. Wenn dann der 2,2kΩ Widerstand entfernt wird, sollte die LED wieder voll leuchten. Mutige - wir sind sicher, dass sie Schaltung korrekt aufgebaut wurde - schließen den Ausgang kurz. Die blaue und die grüne LED erlöschen.

Eigene Versuche

Die Schaltung kann auf einem kleinen Steckbrett aufgebaut werden.

Bevor wir die Schaltung in Betrieb nehmen, überzeugen wir uns, ob sie korrekt aufgebaut wurde. Wer eine elektronische Sicherung nach Bild 1 hat, schaltet sie natürlich davor.

Die alte Sicherung ist zunächst auf 25mA eingestellt. Sie darf natürlich nicht auslösen, wenn die neue ohne Belastung am Ausgang angeschlossen wird. Mit einem 1kΩ Widerstand am Ausgang auch nicht.

Dann können wir beginnen, unsere Sicherung einzustellen. Die alte wird auf 50mA eingestellt.

50mA Version

Unsere elektronische Sicherung können wir noch auf 50mA umstellen. Das ist sehr einfach. 50mA sind 2*25mA: Wir müssen parallel zum Messwiderstand Rm einen zweiten mit 1Ω schalten.

Temperatur

Eine Schaltung mit Stromspiegel ist temperaturabhängig. Beide Transistoren müssen die gleiche Temperatur haben.

Wir schalten einen Lastwiderstand von 220Ω ein. Die LED wird kaum glimmen. Wenn wir jetzt den Transistor T2 berühren, wird er sich durch unsere Körperwärme leicht erwärmen. Und die LED wird heller.

Diese Temperaturabhängigkeit ist ein weiterer Nachteil der neuen Sicherung.

Wir können diesen Effekt verringern, indem wir die Gehäuse der beiden Transistoren mit einem isolierten Draht aneinander koppeln.

Strombegrenzung oder -abschaltung

Unsere Sicherung begrenzt den Strom auf 25mA.

Die Begrenzung des Stroms hat bei kleinen Strömen den Vorteil, dass wir einfacher Fehler suchen können. Bei großen Strömen wird der MOSFET sehr stark belastet und benötigt einen Kühlkörper. Außerdem können große Ströme die zu schützende Schaltung beschädigen.

Eine normale Sicherung unterbricht den Stromkreis vollständig, wenn sie ausgelöst hat. Das können wir auch elektronisch erreichen. Im vorangehenden Praktikum Elektronische Sicherung mit Abschaltung haben wir eine Variante elektronischer Sicherungen kennen gelernt.

Fazit

Diese nur unwesentlich komplexere elektronische Sicherung hat gegen über der einfachen Schaltung in Bild 1 einen deutlich geringeren Spannungsabfall von 0,1V bei 20mA für eine 25mA Sicherung. Der größte Teil der Spannung fällt am MOSFET 2N7000 ab. Mit speziellen Typen kann die Spannung an der Sicherung auf etwa 0,05V gedrückt werden.

Abschaltend und kleiner Spannungsabfall

Die hier behandeltet elektronische Sicherung hat den Nachteil, dass sie nur für kleine Ströme geeignet ist. Eine abschaltende elektronische Sicherung ist dafür besser geeignet. Interessant ist daher eine mit geringeren Spannungsabfall und Abschaltung.

Im Projekt Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall für den positiven Zweig wird eine Schaltung vorgestellt, die

  • einen sehr geringen Spannungsabfall hat,
  • für Spannungen von 3V bis 12V geeignet ist,
  • bis 1A sichert und
  • abschaltet, wenn der eingestellte Strom überschritten wird.